Практикум по физико-химическим методам анализа

прибора. Провести измерения сначала при 430 нм, а затем установить длину волны 550 нм и снова измерить оптическую плотность.

5.После того как получены данные для всех стандартных растворов, их нужно занести в таблицу.

6.Построить график с тремя калибровочными кривыми: для стандартных растворов K2Cr2O7 при 430 нм (данные взять из опыта №1) – кривая 2 ; для стандартных растворов KMnO4 при 550 нм - кривая 1 и при 430 нм - кривая 3. Обратите внимание на масштаб! Оптическая плотность растворов сильно различается.

7.Налить в кювету раствор из колбы «Анализируемый раствор K2Cr2O7 + KMnO4» с номером, соответствующим варианту. Измерить оптическую плотность анализируемого раствора два раза - при 430 и 550 нм (раствор сравнения – дистиллированная вода). Полученные данные занести в таблицу.

8.Используя методику (см. теорию), определить концентрацию K2Cr2O7 + KMnO4 в анализируемом растворе, заполнить таблицу.

9.По полученным данным рассчитать концентрацию Cr и Mn в анализируемом растворе, в мг/мл.

Серия стандартных растворов KMnO4

Вопросы для самоконтроля

1.В чем сущность фотометрических методов анализа?

2.Дайте определение фотоколориметрии.

3.Что такое оптическая плотность, как ее можно рассчитать?

4.Сформулируйте закон Бугера-Ламберта-Бера.

5.Что такое молярный коэффициент поглощения? От чего он зависит?

6.В чем заключается закон аддитивности? В каких случаях он выполняется?

7.Какие методы используются для количественного определения компонента в смеси веществ?

8.В чем заключается метод сравнения (стандартов)?

9.Охарактеризуйте метод молярного коэффициента поглощения.

10.Как определить концентрацию вещества методом градуировочного графика?

11.Опишите метод стандартных добавок.

31

Тема 3. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Хроматография – метод анализа и разделения смеси веществ, позволяющий определять газообразные, жидкие и твёрдые вещества с молекулярной массой от 1 до 106. Этот метод основан на явлении сорбции – поглощение вещества твёрдыми или жидкими поглотителями. Поглощаемое вещество называется сорбатом, а поглотители – сорбентами. Адсорбция – концентрирование вещества на поверхности твёрдого тела (адсорбента), абсорбция – поглощение вещества объёмом твёрдого вещества или жидкостью (абсорбентом). Способность вещества поглощаться поверхностью твёрдого тела называется адсорбируемостью и зависит от природы веществ, участвующих в процессе сорбции.

Хроматография основана на разделении компонентов анализируемой смеси между двумя фазами – подвижной (ПФ) и неподвижной (НФ). В газожидкостной хроматографии

подвижной фазой является газ или пар (газ-носитель), а неподвижной фазой служит слой жидкости, нанесенный на твердый носитель.

Неподвижную фазу помещают в хроматографическую колонку, где анализируемая смесь внедряется в подвижную фазу и и вместе с ней движется через через колонку. При

времени прохождения через колонку. Такая зависимость называется хроматограммой и имеет вид кривых с хроматографическими пиками, которые характеризуют мгновенное изменение концентрации анализируемого вещества (рис.5). Пики на хроматограмме соответствуют отдельным компонентам анализируемой смеси. Основными параметрами хроматографического пика являются его ширина и высота. Высота пика , перпендикуляр, опущенный из максимума пика на нулевую линию. Ширина пика - отрезок, отсекаемый на нулевой линии касательными к сторонам пика. Ширина пика - ширина пика на половине его высоты.

Количественный хроматографический анализ основан на измерении высоты или площади пика, которые зависят от концентрации хроматографируемых веществ. Чаще всего для количественных расчетов измеряют площадь пика . Для определения площади пика его высоту умножают на ширину пика на половине его высоты .

Для определения концентрации веществ используются следующие методы количественного анализа:

1) Метод градуировочного графика (абсолютной калибровки).

32

Метод основан на построении графика зависимости площади или высоты пика от содержания вещества в хроматографируемой пробе.

;

Сначала производят измерение высоты или площади пиков для серии стандартных смесей и строят градуировочный график ( ) = f ( ) . Далее определяют те же параметры пиков в анализируемой смеси и по градуировочному графику находят содержание анализируемого компонента в смеси .

Концентрацию компонента рассчитывают по формулам:

2) Метод нормировки.

Метод нормировки основан на том, что вещества, взятые в одинаковом количестве, дают одну и ту же площадь пика независимо от их строения. Если вещества химически сходны и чувствительность детектора к ним одинакова, сумму площадей всех пиков можно принять за 100%. Концентрацию i – компонента рассчитывают по формуле:

где - площадь пика i – компонента; – общая площадь пиков всех компонентов; - массовая доля i – компонента в анализируемой смеси, %.

Однако если анализируемые компоненты имеют природу, по отношению к которой чувствительность детектора различна, то при хроматографировании равных количеств компонентов смеси регистрируемые пики будут отличаться по параметрам. Тогда используют метод нормировки с относительными калибровочными (поправочными) коэффициентами.

Для этого проводят анализ смеси из определяемого компонента i и вещества-стандарта. Затем рассчитывают относительные калибровочные коэффициенты по формулам:

Концентрацию i – компонента в смеси рассчитывают по формуле:

где , , - калибровочные коэффициенты для компонентов смеси; , , - площади пиков соответствующих компонентов.

3) Метод внутреннего стандарта.

Сначала хроматографируют серию смесей с известным массовым соотношением определяемого компонента и вещества-стандарта. Считается, что полученное соотношение площадей пиков пропорционально массовому соотношению:

- отношение массы внутреннего стандарта к массе анализируемой пробы.

Бумажная восходящая хроматография основана на том, что анализируемое вещество наносят микропипеткой на стартовую линию хроматографической бумаги, подсушивают и в вертикальном состоянии помещают полоску бумаги в закрытый сосуд (хроматографическую камеру), на дно которого размещена ПФ.

Капиллярными силами подвижная фаза поднимается вверх по бумаге с постепенно замедляемой скоростью. При движении в порах бумаги растворитель по-разному взаимодействует с компонентами смеси. Компоненты движутся вверх с разной скоростью, что приводит к их пространственному разделению. Разделяемые компоненты образуют различные зоны в виде пятен

г/см3) объёмом 10 мл пропустили 1 м3 анализируемой смеси, содержащей пары фенола. При хроматографировании получили пик фенола площадью 30 мм2. Определить концентрацию фенола в газовой смеси, г/л.

Дано:

Подвижная фаза (ПФ) - органический растворитель (р-ль)

(р-ля) = 0,85 г/см3

Анализируемый образец - смесь с содержанием фенола (ф). Данные для стандартной серии смесей:

Данные для анализируемой смеси: V (р-ля) = 10 мл

V(смеси с фенолом) = 1 м3.

Площадь пика фенола при хроматографировании анализируемой смеси:

S (ф) = 30 мм2.

________________________________________________________________________________

С (ф) - ?

Решение:

1.Для анализа использован метод градуировочного графика. По данным стандартной серии образцов построим

градуировочный график в координатах = f ( ).

2.Используя градуировочный график, по площади полученного пика фенола для анализируемой смеси определяем его концентрацию в элюате, полученном на выходе из колонки. Она составляет 0,05%.

3.При пропускании газовой смеси через растворитель, происходит явление

адсорбции, поэтому вся масса фенола, изначально содержащаяся в газовой смеси, оказывается в объеме растворителя, пропущенном через колонку. То есть массовая доля 0,05% - это содержание фенола в растворителе на выходе из колонки (элюате). Найдем массу растворителя и массу фенола, содержащуюся в нем:

Та же масса фенола содержалась изначально в парах смеси, прошедшей через растворитель,

=. Найдем концентрацию паров фенола в газовой смеси:

36

хроматографическим методом. В качестве внутреннего стандарта в смесь добавили 0,125 г

Дано:

Анализируемый образец - смесь эфиров с содержанием этилацетата (ЭА). g (смеси) = 4,8 г.

Внутренний стандарт - бутанол (Б). g(Б) = 0,125 г.

Площади пиков:

S(Б) = 92 мм2.

S(ЭА) = 75 мм2.

Коэффициенты чувствительности детектора к веществам:

КS(ЭА) = 0,79.

КS (Б) = 0,77.

_____________________________________________________________________________________

% (ЭА)-?

Решение:

1. В данном случае использован метод внутреннего стандарта. Отсюда массовую долю компонента можно рассчитать по формуле:

- масса вещества-стандарта; - масса пробы. 2. Выразим и рассчитаем массовую долю ЭА:

Ответ: .

37

Задача 3. Определить массовую долю компонентов газовой смеси по следующим данным:

Решение:

По методу нормировки сумму площадей всех пиков принимают за 100%. Концентрацию i – компонента рассчитывают по формуле:

В данном случае чувствительность детектора к разным компонентам смеси различна, и коэффициенты чувствительности имеют различные значения. Поэтому для решения задачи используется метод нормировки с учетом калибровочных коэффициентов. Концентрация i – компонента рассчитывается по формуле:

Задача 4. При идентификации аминокислот в концентрате из белкового гидрализата фронт растворителя (смесь н-бутанола, уксусной кислоты и воды) переместился от центра хроматографической бумаги на 55 мм. После опрыскивания хроматограммы раствором нингидрина получили три синих концентрических кольца с центрами, удаленными от стартовой линии на 20, 25 и 45 мм. В идентичных условиях хроматографировали растворы аминокислот и получили следующие коэффициенты подвижности: аспарагиновая кислота – 0,36; лизин – 0,46; валин – 0,64; аланин – 0,82; тирозин – 0,92. Какие аминокислоты содержатся в концентрате из белкового гидрализата?

Дано:

ПФ - растворитель (н-бутанол, уксусная кислота, вода). Анализируемые образцы - смесь аминокислот в растворе белка.

38

Расстояние от нулевой линии до фронта растворителя для анализируемой пробы и стандартной серии:

= 55 мм.

Проявитель - нингидрин.

Коэффициенты подвижности для стандартной серии: (АК) = 0,36 (Л) = 0,46 (В) = 0,64 (АЛ) = 0,82 (Т) = 0,92

Расстояние пятен от линии фронта в анализируемой пробе:

=20 мм

=25 мм

=45 мм

_____________________________________________________________________________________

Какие аминокислоты содержатся в анализируемой пробе?

Решение:

1. Рассчитаем коэффициенты подвижности веществ в анализируемой пробе:

2.Сравнив полученные коэффициенты подвижности с коэффициентами подвижности стандартных веществ, можно сделать вывод, что в концентрате содержатся аспарагиновая кислота, лизин и аланин.

Задания для самостоятельной работы

1. Метод абсолютной калбировки

1.При хроматографировании 5 мкл стандартных растворов валериановой кислоты с массовой концентрацией 8·10-4; 16·10-4; 23·10-4; 32·10-4; 40·10-4 мг/мл получили пики соответствующей высоты 12, 23, 37, 49, 61 мм. Для определения содержания кислоты в образце лекарственного препарата массой 50 мг провели ее количественное извлечение диэтиловым эфиром. Объем полученного раствора кислоты (экстракта) составил 25 мл. 1 мл полученного экстракта перенесли в колбу вместимостью 50 мл и довели до метки эфиром. На хроматограмме 5 мкл последнего раствора валериановой кислоты соответствовал пик 42 мм. Определите массовую долю валериановой кислоты в препарате.

39

2.Для контроля содержания формальдегида в воздухе 10000 л воздуха пропустили через 1 л

абсорбента со степенью извлечения 80%. Из полученного раствора отбиралась проба объёмом 1 мкл и вводилась в хроматограф. Был обнаружен пик формальдегида с площадью 234 мм2. Калибровочный график формальдегида строился по данным для стандартных растворов

объемом 0,1 мкл с концентрациями 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 и 0,5 мг/л. Площади их пиков будут равны соответственно 13, 27, 38, 50 и 67 мм2. Определить содержание формальдегида в воздухе.

3.Для хроматографического определения никеля на бумаге, пропитанной раствором диметилглиоксима, приготовили три стандартных раствора. Для этого навеску 0,248 г NiCl2·6H2O растворили в мерной колбе на 50 мл. Затем из этой колбы взяли 5,0; 10,0; 20,0 мл аликвоты и разбавили водой в колбе на 50 мл. Исследуемый раствор объемом 1 мл также разбавили в мерной колбе на 50 мл. Определить содержание никеля в исследуемом растворе, если высота пиков стандартных растворов равна соответственно 25,5; 37,5; 61,3 мм, а высота пика исследуемого раствора 49 мм.

4.Навеску химически чистого Fe2O3 массой 0,1596 г растворили в кислоте, перевели в мерную колбу вместимостью 250 мл и довели до метки водой (раствор №1). Для приготовления стандартных растворов в мерные колбы вместимостью 50 мл поместили 1,0; 2,0; 3,0 мл раствора №1 и развели до метки водой. На хроматографическую бумагу нанесли по 0,05 мл стандартных растворов и после проявления получили окрашенные зоны железа шириной 2,8; 6,0; 8,7 мм. 10 мл исследуемого раствора разбавили в мерной колбе вместимостью 100 мл и при хроматографировании 0,05 мл получили окрашенную зону железа шириной 5,5 мм. Определите массовую концентрацию железа в исследуемом растворе в г/л.

5.При анализе технического образца анилина навеску массой 0,042 г растворили в 50 мл

бутилацетата. 5 мкл этого раствора хроматографировали. На хроматограмме анилину соответствовал пик площадью 70 мм2. При хроматографировании 5 мкл стандартных растворов

с массовой концентрацией анилина в бутилацетате 0,4; 0,6; 1,0 мг/мл получены пики площадью соответственно 38, 58, 97 мм2. Определите массовую долю анилина в образце.

6.Для определения аминоуксусной кислоты методом тонкослойной хроматографии провели

анализ стандартных образцов с массой кислоты 5,10,15 мкг, содержащихся в 0,01 мл. На пластинке получили площади окрашенных зон 14,1; 23,6; 36,2 мм2. Навеску массой 1,008 г

растворили в мерной колбе вместимостью 100 мл. Затем 0,01 мл раствора хроматогарфировали и получили пятно площадью 18,6 мм2. Определите массовую долю кислоты в анализируемой навеске.

7.Для контроля содержания канцерогена бензапирен в воде 100 л речной воды пропустили через картридж для микроконцентрирования со степенью извлечения 97%. Далее, бензапирен был извлечен из пробы путем десорбции гексаном в объеме 10 мкл. Из полученного раствора

отбиралась проба объёмом 1 мкл и вводилась в хроматограф. Был обнаружен пик бензапирена с площадью 190 мм2. Калибровочный график бензапирена строился по данным для стандартных

растворов объемом 1 мкл с концентрациями 0,01, 0,02, 0,05, 0,1 и 0,2 мг/л. Площади их пиков будут равны соответственно 46, 93, 234, 470 и 931 мм2. Определить содержание бензапирена в речной воде.

8.Калибровочный график фенола был построен по стандартным растворам с концентрациями

0,05, 0,1, 0,2, 0,3 и 0,5 мг/л. Хроматографический анализ показал, что площади пиков стандартных растворов будут равны соответственно 35, 72, 143, 212 и 358 мм2. Из отходов лакокрасочных производств была отобрана проба массой 1 г и растворена в 1 л воды. После

40